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        多功能液壓油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用探析

        2022-03-25 04:26:50李斌
        中國設(shè)備工程 2022年6期
        關(guān)鍵詞:同步控制西門子控制算法

        李斌

        (上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200125)

        1 項(xiàng)目簡介

        1.1 項(xiàng)目背景

        隨著碼頭行業(yè)的迅速發(fā)展,集裝箱碼頭全自動化、起重機(jī)遠(yuǎn)程操作結(jié)合自動化堆場的需求越來越多。而其中多功能油缸系統(tǒng)的控制又是起重機(jī)中一個(gè)極其重要的部分。它控制著吊具的傾轉(zhuǎn)功能和吊具的防搖功能。由于現(xiàn)有起重機(jī)后大梁多功能油缸系統(tǒng)的控制方法老舊,當(dāng)不同油缸在不同位置或不同負(fù)載時(shí),一般無法做到對全部油缸的同步控制,往往會造成油缸伸縮不同步的情況,從而直接影響起重機(jī)的生產(chǎn)和使用效率。所以,通過對多功能油缸控制算法的精確和軟件程序的開發(fā),對多功能油缸在運(yùn)行過程中的速度和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能補(bǔ)償,可以讓油缸在承受不同負(fù)載的情況下,最終達(dá)到油缸的高精度定位和同步控制。

        1.2 項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新

        多功能油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)算法的研發(fā),減少了一些內(nèi)部的液壓控制元器件,從而降低了液壓系統(tǒng)的故障發(fā)生率,使整套系統(tǒng)更加穩(wěn)定、精確、安全地運(yùn)行。由于內(nèi)部液壓元器件的減少,可以更好地降低多功能液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本,也同時(shí)降低了碼頭的維護(hù)工作量和運(yùn)行成本。

        這是國內(nèi)目前首套用于起重機(jī)的多功能液壓油缸PLC智能補(bǔ)償控制系統(tǒng),本項(xiàng)目處于國際和國內(nèi)先進(jìn)水平,也是未來的應(yīng)用趨勢。

        1.3 項(xiàng)目進(jìn)度、實(shí)施過程

        項(xiàng)目實(shí)施過程中,按照項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)年度計(jì)劃進(jìn)行。同時(shí),為了較好地完成本項(xiàng)目,根據(jù)本項(xiàng)目的工作內(nèi)容以及項(xiàng)目組成員個(gè)人的特長,做了合適的分工。

        項(xiàng)目的大致進(jìn)程:(1)資料收集及項(xiàng)目可行性方案的制定。(2)多功能液壓油缸硬件系統(tǒng)分析,包括整套液壓系統(tǒng)的性能及工況;高精度位移傳感器的選型等;完成對所需PLC的選型和購買,根據(jù)公司實(shí)際情況,決定采用西門子PLC作為本項(xiàng)目測試PLC;完成在開環(huán)狀態(tài)下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和分析。(3)建立數(shù)學(xué)模型,PLC程序編寫,實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)測試完成,完成現(xiàn)場測試的準(zhǔn)備工作。(4)多功能液壓油缸系統(tǒng)的功能調(diào)試,優(yōu)化和修改PLC程序。(5)研究報(bào)告整理,完成項(xiàng)目的驗(yàn)收。

        2 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告中主要技術(shù)、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及遇到的主要問題

        2.1 多功能油缸照片(見圖1)

        圖1 多功能油缸照片

        2.2 項(xiàng)目配置和系統(tǒng)構(gòu)成

        起重機(jī)多功能油缸控制系統(tǒng)主要由西門子6ES7307-1EA80-0AA0電源模塊、西門子S7-300PLC控制器、西門子6ES7153-4AA01-0XB0ET200分布式通信模塊、西門子6ES7321-1BH02-0AA0數(shù)字量輸入模塊、西門子6ES7322-1HH01-0AA0數(shù)字量輸出模塊、西門子6ES7332-5HD01-0AB0模擬量輸出模塊、4個(gè)profibus油缸位移傳感器、4個(gè)比例閥、1個(gè)電磁閥和1個(gè)傾轉(zhuǎn)油缸馬達(dá)組成(見表1)。

        表1 項(xiàng)目配置表

        2.3 控制系統(tǒng)的介紹和完成的功能

        (1)PID控制算法。在工業(yè)控制應(yīng)用中,PID及其衍生的算法是應(yīng)用最廣泛的算法之一。在很多控制算法中,PID控制算法既是最簡單又是最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法。比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)??刂葡到y(tǒng)原理圖的一般形式(見圖2)。

        圖2 PID控制原理圖

        為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì),往往把比例、積分、微分三種作用組合起來,形成PID調(diào)節(jié)器。理想的PID微分方程為:

        為了滿足在承受不同負(fù)載的情況下,對液壓油缸系統(tǒng)能夠高精度定位和同步控制,我們利用PID控制算法,在油缸運(yùn)行過程中進(jìn)行速度和位置的實(shí)時(shí)智能補(bǔ)償,從而完成對油缸的實(shí)時(shí)同步控制。

        (2)PLC程序編程。①PLC硬件程序配置(如圖3)。根據(jù)硬件配置實(shí)物,編寫PLC硬件配置程序。硬件配置中,采用4個(gè)傾轉(zhuǎn)油缸位移傳感器來測量和讀取油缸的實(shí)際位置,模擬量輸出模塊在控制比例閥的開度,在不同負(fù)載情況下,調(diào)節(jié)不同比例閥的閥門開度,來調(diào)節(jié)4個(gè)油缸的伸縮速度,對油缸實(shí)施精確的同步控制。②PLC軟件程序配置。根據(jù)實(shí)際液壓工況,編寫PLC軟件程序,在這個(gè)項(xiàng)目中,我們編寫了TLSGENERAL,TLSCYCLINDERPOSITION,TLSCOMMAND,TLSANG LE,TLSAPPROACH和MONITORINGTLS。

        圖3 PLC硬件配置

        其中,TLSGENERAL表示常規(guī)的一些對于傾轉(zhuǎn)油缸的控制命令,包括手動伸縮油缸、自動傾轉(zhuǎn)、自動回零位等常規(guī)命令。TLSCYCLINDERPOSITION表示通過油缸位移傳感器來計(jì)算油缸實(shí)際位置。TLSCOMMAND表示對4個(gè)比例閥的控制(4~20mA輸出)。TLSANGLE表示傾轉(zhuǎn)角度的計(jì)算。TLSAPPROACH表示油缸速度的計(jì)算,通過PID控制調(diào)節(jié)后,輸出到比例閥的控制值,控制油缸伸縮速度。MONITORINGTLS表示有關(guān)傾轉(zhuǎn)的故障,當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),可以停止傾轉(zhuǎn)命令,從而保護(hù)油缸。

        我們以1號油缸調(diào)節(jié)為例,簡單介紹一下我們使用PID模塊調(diào)節(jié)的編程和測試過程。第一步,記錄油缸的初始位置,并且計(jì)算出在每個(gè)固定周期內(nèi),油缸所能走過的行程。然后,確定油缸的伸縮方向,如果油缸伸,從初始位置加上每個(gè)固定周期內(nèi)油缸的行程。如果油缸縮,從初始位置減去每個(gè)固定周期內(nèi)油缸的行程。這樣我們將可以算出在任意周期后油缸應(yīng)該達(dá)到的位置。第二步,把油缸實(shí)際位置和在第一步中計(jì)算出來應(yīng)該到達(dá)的位置填入PID控制塊,調(diào)節(jié)控制塊的時(shí)間常數(shù)和比例常數(shù),KP是比例因子,TN是積分時(shí)間,計(jì)算出輸出值Y(疊加量),這個(gè)疊加量加上初始值,最終可以得到輸出給油缸的模擬量值。項(xiàng)目測試結(jié)果:經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行良好。油缸的設(shè)定位置和實(shí)際位置幾乎一致。

        3 科技成果轉(zhuǎn)化情況

        目前,該研發(fā)項(xiàng)目已應(yīng)用到英國菲利斯通項(xiàng)目遠(yuǎn)程橋吊后大梁多功能液壓站,取得了良好的效果。該算法技術(shù)含量較高,算法集成于PLC中,這樣可以節(jié)省不需要的硬件成本,控制精度更高,系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn),參數(shù)修改方便,具有出色的性能和出色的可用性,市場前景廣闊。

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